Development of a Surface Magneto-Optic Kerr Effect Setup
Authors
Pedersen, Kristian Bonderup ; Bjørn, Rasmus
Term
4. term
Education
Publication year
2011
Submitted on
2011-06-01
Pages
138
Abstract
Interessen for magnetiske nanostrukturer er vokset i takt med den teknologiske udvikling. For anvendelser som harddiske og magnetiske sensorer er der et behov for meget præcis kontrol af størrelse og af, hvordan magnetiske momenter ændrer retning. Derfor er en fleksibel metode til at karakterisere magnetiske nanostrukturer vigtig. I dette projekt udvikles og tilpasses et setup til overflade-magneto-optisk Kerr-effekt (MOKE) i en ultrahøjvakuum (UHV)-kammmer, så magnetiske egenskaber helt ned til monolag (én atomlag tykke) kan undersøges. MOKE måler små ændringer i lysets polarisation, når det reflekteres fra en magnetiseret overflade, og er dermed overfladefølsomt. Projektets mål er: 1) at bygge og integrere et overflade-MOKE-setup i et eksisterende UHV-system, og 2) at validere det med målinger på kobolt (Co) tynde film. Arbejdet er opdelt i tre dele: introducerende teori, design og udvikling, samt validering. Teorien dækker grundlæggende magnetisme (semi-klassisk og statistisk) og magnetisme i tynde film med fokus på anisotropi (retningsafhængige egenskaber), samt selve MOKE-princippet og et måle-setup. UHV-systemet rummer i forvejen en fordamper, massespektrometre, LEED (low-energy electron diffraction) og STM (scanning tunnelmikroskopi). For at lette designet konstrueres først et forenklet MOKE-setup uden for vakuum, som også bruges til at afprøve metoden. Under udviklingen af hoved-setup’et undersøges flere designmuligheder med deres fordele og ulemper, og der udarbejdes tegninger til de endelige komponenter. Det færdige setup omfatter blandt andet en specialdesignet elektromagnet, der kan levere cirka 200 mT i polær og longitudinal konfiguration, samt en kryostat, der kan køle prøver ned til -183°C for målinger ved lav temperatur. Kerr-målinger afslører forskellige svagheder i systemet, herunder problemer med indgangsvinduerne til kammeret og stor intensitetsdrift. Trods dette optages en hysterese-kurve for Co på Ag(111), hvilket demonstrerer, at metoden fungerer.
Interest in magnetic nanostructures has grown alongside technological progress. For applications such as hard disk drives and magnetic sensors, there is a need for precise control of size and of how magnetic moments reorient. This makes a versatile characterization method essential. In this project, a surface magneto-optic Kerr effect (MOKE) setup is developed and integrated into an ultra-high vacuum (UHV) chamber to enable surface-sensitive measurements down to the monolayer range (one-atom-thick layers). MOKE detects small changes in the polarization of light reflected from a magnetized surface, making it well suited for thin-film studies. The goals are: 1) to build and adapt a surface MOKE setup to an existing UHV system, and 2) to validate it with measurements on cobalt (Co) thin films. The work is organized into three parts: introductory theory, design and development, and validation. The theory covers basic magnetism (semi-classical and statistical), magnetism in thin films with a focus on anisotropy (direction-dependent properties), the MOKE concept, and a measurement setup based on it. The existing UHV system includes a vaporizer, mass spectrometers, LEED (low-energy electron diffraction), and an STM (scanning tunneling microscope). To simplify design, a preliminary, simplified MOKE setup is first built outside vacuum and used to test the method. During development, several design concepts are considered, with their pros and cons documented, and blueprints for the final components are produced. The completed setup includes a custom electromagnet capable of delivering approximately 200 mT in polar and longitudinal configurations, and a cryostat that cools samples to -183°C for low-temperature characterization. Kerr measurements reveal several limitations, including issues with the chamber’s entrance windows and significant intensity drift. Despite these challenges, a hysteresis loop is recorded for Co deposited on Ag(111), demonstrating that the method works.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents